心筋細胞におけるエネルギー代謝-機能連関の研究

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15209007
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 野間 昭典 京都大学, 医学研究科, 教授 (00132738)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 皿井 伸明 京都大学, 医学研究科, 助手 (00335259) ; 松岡 達 京都大学, 医学研究科, 助手 (00263096)
• Keywords: 興奮-収縮連関 / 心臓 / NADH / ミトコンドリア / カルシウム

Research Abstract

心筋細胞における「エネルギー代謝-機能連関」を定量的に解析する目的で、モルモット単離心室筋細胞から、細胞膜電位・ミトコンドリアNADH蛍光・細胞長(細胞収縮)を同時記録した。単離心室筋細胞にパッチ電極を当て、穿孔パッチ法により通電刺激した。高頻度刺激を始めると、細胞収縮は徐々に増加し安定したが、NADH蛍光は一過性減少の後次第に増加した。高頻度刺激を停止すると、NADH蛍光は一過性上昇の後、コントロールレベルに回復した。NADH蛍光増加は、ミトコンドリアCa^<2+>ユニポーター阻害薬であるruthenium redで抑制され、ミトコンドリア内Ca^<2+>変化がNADH蛍光変化に関連することが示唆された。
そこで、Rhod-2をミトコンドリアに負荷したモルモット心室筋細胞から、細胞膜電位・ミトコンドリアCa^<2+>(Rhod-2シグナル)・細胞長(細胞収縮)の同時測定を行った。同様のプロトコールで心室筋細胞を高頻度刺激すると、細胞収縮増加に伴いRhod-2シグナルが増加することが確認された。これらの実験データから、高頻度刺激に伴いミトコンドリア内Ca^<2+>が増加し、増加したCa^<2+>により種々のミトコンドリア酵素が活性化され、NADH産生が増加する機構が推測された。
我々は「心筋細胞 興奮-収縮-エネルギー代謝」のコンピュータモデルを開発している。このモデルに、ミトコンドリアCa^<2+>ユニポーターとNa^<+>/Ca^<2+>交換を実装し、ミトコンドリア内Ca^<2+>変動がシミュレーション可能になるように改良した。NADからNADHの産生がCa^<2+>により活性化されると仮定すると、上記実験データの多くを再現することが可能であった。さらに、シミュレーションから、高頻度刺激による一過性NADH蛍光低下は、ミトコンドリア無機リン酸の上昇によることが示唆された。

Research Products

• [Publications] Matsuoka S., Sarai N., Jo H., Noma A.: "Simulation of ATP Metabolism in Cardiac Excitation-Contraction Coupling"Progress in Biophysics and Molecular Biology. (in press). (2004)
• [Publications] Powell T., Matsuoka S., Sarai N., Noma A.: "Intracellular Ca^<2+> dynamics and sarcomere length in ventricular myocytes"Cell Calcium. (in press). (2004)
• [Publications] Osaka M, Shinagawa Y, Matsuoka S, Noma A: "Estimating the active dimension of cardiac pacemaking dynamics"PHYSICA D-NONLINEAR PHENOMENA. 178(1-2). 118-126 (2003)
• [Publications] Matsuoka S, Sarai N, Kuratomi S, Ono K, Noma A.: "Role of individual ionic current systems in ventricular cells hypothesized by a model study"Japanese Journal of Physiology. 53. 105-123 (2003)
• [Publications] Sarai N, Matsuoka S, Kuratomi S, Ono K, Noma A.: "Role of Individual Ionic Current Systems in the SA Node Hypothesized by a Model Study"Japanese Journal of Physiology. 53. 125-134 (2003)
• [Publications] Kuratomi S, Matsuoka S, Sarai N, Powell T, Noma A: "Involvement of Ca^<2+> buffering and Na^<+>/Ca^<2+> exchange in the positive staircase of contraction in guinea-pig ventricular myocytes"Pflugers Archiv. 446. 347-355 (2003)
• [Publications] 野間昭典, 松岡 達, 皿井伸明: "包括的心筋細胞モデル(Kyoto model) 岡本良夫編著 心臓のフィジオーム:電気生理現象のシミュレーション 分子から臓器まで"森北出版株式会社. 8 (2003)